網球器械用復合材料的粘結性能研究

高利軍

(西安體育學院，陜西西安710068)

網球運動是一種優美而充滿競技性的體育運動，素有“貴族運動”之稱，近些年來隨著國民經濟的快速提升和人們物質文化生活的不斷豐富，國內喜愛網球的健身運動者越來越多，這也給網球器械領域帶來了巨大的發展機遇。然而，在網球器械用復合材料的加工和生產過程中，具有不同物理和化學性能的材料組成的復合材料的粘結性能一直是影響網球器械質量的關鍵技術瓶頸[1-3]。這主要是因為傳統膠接工藝通常會造成碳纖維/鋁等復合材料的膠接強度偏低、膠接過程中產生溢膠等問題[4-5]，本文嘗試在網球器械用碳纖維/鋁復合材料膠接過程中施加超聲機械振動的方法，考察了超聲振動作用下膠接工藝參數對復合材料膠接性能的影響，結果可為高性能網球器械用復合材料的膠接工藝提供參考并具有一定的應用價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗基材為網球機械用碳纖維板（98mm×25mm× 2mm）和7075鋁合金板（98mm×25mm×1mm），設置膠接區域的膠層尺寸為25mm×25mm×0.8mm，在進行膠接前對碳纖維和鋁板進行200#砂紙打磨、清水和酒精清洗并吹干；所選擇的膠粘劑為滿足MIL-A-23941A標準的3M DP460膠粘劑。

1.2 試樣制備

采用四因素五水平的正交試驗法對網球器械用復合材料的膠接工藝進行優化，通過在膠接過程中施加超聲振動的方法改善膠接質量，具體方案見表1，超聲振動工藝參數包括振動時間、振動壓力、振動位置和振幅。

表1 4因素5水平正交試驗表Table 1 Four factors and five levels orthogonal test table

1.3 測試方法

采用美國MTS公司生產的MTS-810型液壓伺服萬能材料試驗機對復合材料進行室溫剪切強度測試，拉伸速率為5mm/min，結果取3根試樣的平均值。

2 試驗結果與分析

表2為網球器械用碳纖維/鋁復合材料四因素五水平的正交試驗結果，考核指標為膠接強度，表3中列出了正交試驗極差分析結果。

表2 正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交試驗極差分析結果Table 3 Range analysis results of orthogonal test

從正交試驗結果來看，振動時間、振動壓力、振動位置和振幅都會對網球器械用碳纖維/鋁復合材料的膠接強度產生影響，但是影響程度明顯不同。當振動時間為7s、振動壓力0.07MPa、振動位置9mm和振幅25μm時，復合材料的膠接強度為7.42MPa；當振動時間為21s、振動壓力0.21MPa、振動位置45mm和振幅33μm時，復合材料的膠接強度為10.48MPa。可見，不同膠接工藝參數對復合材料膠接強度的影響較大。

表3中R反映了振動時間、振動壓力、振動位置和振幅等工藝參數對膠接強度的影響大小，如果R值越大則表明對應工藝參數對膠接強度的影響越大，反之則越小[6-7]。正交試驗極差分析結果表明，4種工藝參數對膠接強度的影響從大至小的順序為：振動時間>振幅>振動壓力>振動位置。從正交極差分析結果優化得到的網球器械用碳纖維復合材料的超聲振動膠接工藝參數為：振動時間0.21s、振動壓力0.35MPa、振動位置27mm、振幅57μm，此時碳纖維/鋁復合材料具有較高的膠接強度。

表4為無振動的對照組和正交試驗優化組的膠接強度，以進一步對比分析超聲振動以及正交試驗優化后碳纖維/鋁復合材料的膠接強度。可見，無振動對照組的膠接強度平均值為7.10MPa，而經過正交試驗優化后復合材料的膠接強度平均值達到10.86MPa，相較于無振動對照組提高了52.96%。可見，經過正交優化后的超聲振動膠接工藝可以極大提升網球器械用碳纖維/鋁復合材料的膠接強度。

表4 無振動對照組和正交試驗優化組的膠接強度對比分析結果Table 4 Comparative analysis results of bonding strength between non vibration control group and orthogonal test optimization group

分別對無振動對照組和正交試驗優化組試樣破壞后的膠層截面形貌進行觀察，結果如圖1所示。對比分析可見，無振動對照組試樣的膠層截面處存在明顯的縫隙，而經過正交優化后試驗組試樣的膠層截面處縫隙很小，這主要是因為在超聲振動作用下，膠接過程中的膠粘劑可以更好地在碳纖維/鋁復合材料之間流動，從而填充縫隙、起到更好的潤濕效果[8-9]，相應的膠接接頭的剪切強度得到提升，且從表4的膠接強度測試結果可知，正交試驗優化組試樣的膠接強度分散性較小，膠接性能較為穩定。

圖1 網球器械用碳纖維/鋁復合材料的膠層截面形貌Fig.1 Cross section morphology of carbon fiber / aluminum composite for tennis instruments

3 結論

（1）當振動時間為7s、振動壓力0.07MPa、振動位置9mm和振幅25μm時，復合材料的膠接強度為7.42MPa；當振動時間為21s、振動壓力0.21MPa、振動位置45mm和振幅33μm時，復合材料的膠接強度為10.48MPa。

（2）從正交極差分析結果優化得到的網球器械用碳纖維復合材料的超聲振動膠接工藝參數為：振動時間0.21s、振動壓力0.35MPa、振動位置27mm、振幅57μm，此時碳纖維/鋁復合材料具有較高的膠接強度。

（3）無振動對照組的膠接強度平均值為7.10MPa，而經過正交試驗優化后復合材料的膠接強度平均值達到10.86MPa，相較于無振動對照組提高了52.96%。